植物学课件第七章-植物生长物质.ppt

第七章 植物生长物质,plant growth substances,7.1 植物生长物质的概念和研究方法, 植物生长物质的概念及其种类 植物生长物质(plant growth substances)是指调节植物生长发育的微量化学物质。包括：植物激素和植物生长调节剂。,植物激素(plant hormones，phytohormones)是指在植物体内合成的、通常从合成部位运往作用部位、对植物的生长发育产生显著调节作用的微量小分子有机质。 植物生长调节剂(plant growth regulators)是指一些具有植物激素活性的人工合成的物质。,6大类植物激素 Auxin GAs CTK ABA ETH BRs 其它植物生长物质 SA JA PA等, 研究植物生长物质的方法 生物测定法 通过测定激素作用于植株或离体器官后所产生的生理生化效应的强度，从而推算植物激素含量的方法。 物理和化学方法 TLC GC HPLC MS 免疫分析法 RIA ELISA,7.2 生长素类（auxin）,7.2.1 生长素的发现和种类,导致生长素发现的向光性实验,1934年，荷兰的科戈(F.Kgl)等人分离和纯化了吲哚乙酸(indole-3-acetic acid, IAA)，C10H9O2N，分子量为175.19。从此，IAA就成了生长素的代号。 除IAA外，植物体内还有其他生长素类物质，如PAA、4-Cl-IAA 、IBA。,phenylactic acid（PAA）,具有生长素活性的生长物质(A)和抗生长素类物质(B),7.2.2 生长素的代谢,（一）生长素的分布与运输 分布： 植物体内生长素的含量很低，一般每克鲜重为10100ng。 各种器官中都有生长素的分布，但较集中在生长旺盛的部位，如正在生长的茎尖和根尖。,黄化燕麦幼苗中生长素的分布, 运输 生长素在植物体内的运输具有极性，即生长素只能从植物的形态学上端向下端运输，而不能向相反的方向运输，这称为生长素的极性运输(polar transport)。,生长素极性运输的经典试验 供体受体琼脂块方法（donor-receiver agar block method）,生长素极性运输的特点,运输速度为1cm/hr，快于韧皮部运输，慢于单纯扩散 是耗能需氧过程 采取“细胞细胞壁空间细胞”的形式 生长素的极性运输对分子结构具有选择性,极性运输机理(化学渗透极性扩散假说）,生长素极性运输抑制剂,(二) 生长素的代谢 生长素的生物合成-色氨酸依赖途径,合成部位 植物的茎端分生组织、禾本科植物的芽鞘尖端、胚和正在扩展的叶等。 用离体根的组织培养证明根尖也能合成IAA。, 生长素的结合与降解 束缚型生长素(bound auxin) 与细胞内的糖、氨基酸等结合的那部分IAA。 是生长素的贮藏或钝化形式，约占组织中生长素总量的50%90%，无生理活性，无极性运输。 游离型生长素(free auxin) 没有与其他分子以共价键结合的易从植物中提取的IAA。,生长素的降解 酶氧化降解 IAA的酶促氧化包括释放CO2和消耗等摩尔的O2 ，催化降解的酶是吲哚乙酸氧化酶(IAA oxidase）。 光氧化降解 在强光下体外的吲哚乙酸在核黄素催化下，可被光氧化。 IAA的光氧化产物和酶氧化产物相同，都为亚甲基氧代吲哚(及其衍生物)和吲哚醛。, 生长素代谢的调节,7.2.3 生长素的生理效应,生长素的生理作用十分广泛，包括对细胞分裂、伸长和分化，营养器官和生殖器官的生长、成熟和衰老的调控等。 促进生长,生长素对生长的作用有三个特点： 双重作用 不同器官对生长素的敏感性不同 对离体器官和整株植物效应有别,(二) 促进插条不定根的形成,（三）对养分的调运作用,（四） 生长素的其它效应,促进微管束分化 引起顶端优势 促进雌花分化 促进光合产物运输 促进叶片的扩大和气孔的开放 促进形成层细胞向木质部细胞分化 抑制花朵脱落、叶片老化和块根形成,生长素抑制了菜豆植物株中腋芽的生长,IAA-induced xylem regeneration around the wound in cucumber stem tissue.,7.2.4 生长素的作用机理,生长素最明显的生理效应是促进细胞的伸长生长。 用生长素处理茎切段后，不仅细胞伸长了，而且细胞壁有新物质的合成，原生质的量也增加了。,Time course for auxin-induced growth of Avena (oat) coleoptile sections.,（一）酸生长理论,雷利和克莱兰(Rayle and Cleland)于1970年提出了生长素的酸生长理论(acid growth theory) ： 1. 生长素与受体结合后，能活化质膜上的H+-ATP酶。 2. 活化后的H+-ATP酶水解ATP将细胞内的H+泵到细胞壁中，导致细胞壁基质溶液的pH下降。 3. 酸化后，细胞壁中对酸不稳定的键会断裂及多糖水解酶会活化或增加，结果势连接木葡聚糖与纤维素微纤丝之间的键断裂，细胞壁发生松驰。 4. 细胞壁松驰后，细胞的压力势下降，导致细胞的水势下降，细胞吸水，体积增大而发生不可逆增长。,（二）基因活化学说,生长素诱导基因分为两类： 早期基因（early gene）或初级反应基因（primary response gene） 早期基因的表达是被原来已有的转录基因活化刺激所致，所以外施蛋白质合成抑制剂如环已酰亚胺不能堵塞早期基因的表达。 晚期基因（late qene）或次级反应基因（secondary response gene） 某些早期基因编码的蛋白能够调节晚期基因的转录，晚期基因转录对激素是长期反应。,（三）生长素受体 激素受体(hormone receptor)，是指能与激素特异结合的、并能引发特殊生理生化反应的蛋白质。 激素的结合蛋白(binding protein)，能与激素结合的蛋白质 。 生长素受体（auxin receptor）是激素受体的一种。 生长素受体有两类：生长素结合蛋白1（auxin-binding protein 1，ABP1），运输抑制剂响应1（transport inhibitor response 1, TIR1）蛋白。 ,7.3 赤霉素类(Gibberellins),7.3.1 赤霉素的发现及其种类, 赤霉素的发现 1926年 日本人Kurosawa E.发现水稻恶苗病是由赤霉菌分泌物引起的。 1935年 日本科学家薮田从赤霉菌中分离得到了能促进生长的非结晶固体。 1938年薮田从赤霉菌培养基中分离出了“赤霉素A”、“赤霉素B” 20世纪50年代初，英、美科学家从真菌培养液中首次获得了这种物质的化学纯产品。 1957 Phinney 发现植物（玉米）中有GA的存在。 1959年 克罗斯(B. E. Cross)等测出了GA3、GA1、GA5的化学结构。,（二）赤霉素的种类和化学结构 赤霉素的种类很多，1955年分离出GA1，GA2和GA3三种，以后陆续发现，现已知有125种赤霉素GA125，植物有117种。 GA右下角的数字代表该赤霉素发现早晚的顺序。,（www. plant-hormones. info),赤霉素是一种双萜，由4个异戊二烯单位组成，有4个环，其基本结构是赤霉素烷（gibberellane）。,C19和C20两类赤霉素，前者数量多、生理活性高，而后者生理活性低。,C13羟化赤霉素C13非羟化赤霉素,生理活性强的赤霉素有GA1，GA3， GA4， GA7，GA30，GA32，GA38等。 市售的赤霉素主要是赤霉酸（GA3），分子式是C19H22O6，相对分子质量为346。,7.2.2 GA的生物合成与运输, GA的生物合成可分为三个阶段： 环化反应生成贝壳杉烯：GGPP-贝壳杉烯(ent-kaurene)， 在质体(proplastid)中进行。 氧化反应生成GA12醛： 贝壳杉烯-GA12醛，在内质网膜中(ER membrane)完成。 由GA12醛形成其他的GA，在细胞质中（cytoplasm)进行。,GA生物合成抑制剂, GA生物合成的部位和运输,生物合成部位：顶端幼嫩部分，如根尖和茎尖，幼叶、伸长茎节、生长中的种子和果实。 运输：非极性双向运输，根系合成的GA通 过木质部向上运输，茎尖、幼叶合 成的通过韧皮部运输。,GA合成以后在体内的降解很慢，然而却很容易转变成无生物活性的束缚型GA(conjugated gibberellin)。 植物体内的束缚型GA主要有GA-葡萄糖酯和GA-葡萄糖苷等。 束缚型GA是GA的贮藏和运输形式。在植物的不同发育时期，游离型与束缚型GA可相互转化 。, GA的降解, GA水平的调节,7.3.3 GA的生理效应,（一）促进茎的伸长生长,赤霉素的生物测定法-矮化水稻点滴法,GA最显著的生理效应就是促进植物的生长，这主要是它能促进细胞的伸长。GA促进生长具有以下特点： 促进整株植物生长（尤其是矮生突变品种） 促进节间的伸长 不存在超最适浓度的抑制作用,（二）诱导开花 GA能代替低温春化和长日照诱导植物开花,打破休眠和促进种子萌发 促进雄花分化 植物坐果和单性结实 促进细胞的伸长和分化,7.3.4 赤霉素的作用机理, GA诱导大麦种子糊粉层-淀粉酶合成的生化和分子机制研究的较全面，对解释GA的作用机制有启发效应。,GA诱导糊粉层细胞淀粉酶的合成和分泌,GA对大麦糊粉层-淀粉酶的影响,Composite model for the induction of -amylase synthesis in barley aleurone layers by gibberellin.,Article Nature 437, 693-698 (29 September 2005) doi:10.1038/nature04028 GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 encodes a soluble receptor for gibberellin Miyako Ueguchi-Tanaka1,8, Motoyuki Ashikari1,8, Masatoshi Nakajima2,8, Hironori Itoh1, Etsuko Katoh3, Masatomo Kobayashi4, Teh-yuan Chow5,7, Yue-ie C. Hsing5, Hidemi Kitano1, Isomaro Yamaguchi2,6 andMakoto Matsuoka1,GA诱导壁中的木葡聚糖内糖基转移酶（XET）活性增加； 细胞壁基质分子重组，对扩张蛋白透性加大，大量扩张蛋白进入细胞壁； 生长素活化扩张蛋白，促进细胞壁伸展。, GA如何促进细胞伸长 ？ 增加细胞壁伸展性：,7.4 细胞分裂素类(cytokinins),7.4.1 细胞分裂素的发现和种类 发现 1955年，C.O.Miller和F.Skoog偶然发现培养基中加入放置很久的鲱鱼精子DNA，能诱导培养烟草髓组织细胞分裂；加入新鲜的DNA，则完全无效；高压灭菌处理的鲱鱼精子DNA又能促进细胞分裂。 他们分离出了这种活性物质，并命名为激动素(kinetin，KT)。 1956年，C.O.Miller纯化出了激动素结晶，并鉴定出其化学结构。,1963年，D.S.Letham从未成熟的玉米籽粒中分离出了一种类似于激动素的细胞分裂促进物质，命名为玉米素(zeatin，Z，ZT)，1964年确定其化学结构，这是最早分离鉴定的植物天然细胞分裂素。 1965年斯库格等提议将来源于植物的、其生理活性类似于激动素的化合物统称为细胞分裂素(cytokinin, CTK，CK)。 目前在高等植物中已至少鉴定出了30多种细胞分裂素。,（二）细胞分裂素的种类和结构特点 细胞分裂素都为腺嘌呤的衍生物，是腺嘌呤6位和9位上N原子以及2位C原子上的H被取代的产物。,细胞分裂素的种类 游离态细胞分裂素 玉米素、玉米素核苷(zeatin riboside)、二氢玉米素(dihydrozeatin)、异戊烯基腺嘌呤(isopentenyladenine，iP) 在tRNA中的细胞分裂素 结合态细胞分裂素，有异戊烯基腺苷(isopentenyl adenosine，iPA)、甲硫基异戊烯基腺苷、甲硫基玉米素等 人工合成的细胞分裂素 KT、6-BA、PBA和二苯脲,7.4.2 细胞分裂素的运输与代谢,（一）含量与运输 在高等植物中细胞分裂素主要存在于可进行细胞分裂的部位，如茎尖、根尖、未成熟的种子、萌发的种子和生长着的果实等。 从高等植物中发现的细胞分裂素，大多数是玉米素或玉米素核苷，含量为11 000 ngg-1DW。 一般认为，细胞分裂素在根尖合成，经木质部运到地上部分。但随着研究的深入，发现根并不是细胞分裂素唯一的合成部位。,（二）细胞分裂素的代谢 植物体内游离型细胞分裂素一部分来源于tRNA的降解，另外也可以从其它途径合成细胞分裂素。 细胞分裂素生物合成是在细胞的微粒体中进行的。 细胞分裂素合成的关键酶是异戊烯基转移酶(isopentenyl tansferase，IPT)。,细胞分裂素的降解 细胞分裂素在细胞内的降解主要是由细胞分裂素氧化酶催化的。,7.4.3 细胞分裂素的生理效应,促进细胞分裂 细胞分裂素的主要生理功能就是促进细胞的分裂。 生长素只促进核的分裂 细胞分裂素主要是对细胞质的分裂起作用 赤霉素促进细胞分裂主要是缩短了细胞周期中的G1期(DNA合成准备期)和S期(DNA合成期)的时间,促进芽的分化,细胞分裂素和生长素的相互作用控制着愈伤组织根、芽的形成。,促进子叶细胞膨大,CTK对子叶扩大的效应可作为CTK的一种生物测定方法。,促进养分转运 保绿及延缓衰老,打破种子休眠 促进侧芽发育，消除顶端优势 CTK能解除由生长素所引起的顶端优势，促进侧芽生长发育。,2001年鉴定出拟南芥突变体cre1 （cytokinin receptor 1），CRE1编码组氨酸蛋白激酶（HPK）类似蛋白，后证明为细胞分裂素的受体。 AHK2和AHK3为类似的受体蛋白。,7.4.4 细胞分裂素信号传导,Letters to Nature Nature 409, 1060-1063 (22 February 2001) | doi:10.1038/35059117; Received 16 October 2000; Accepted 8 December 2000 Identification of CRE1 as a cytokinin receptor from Arabidopsis Tsutomu Inoue, Masayuki Higuchi, Yukari Hashimoto, Motoaki Seki, Masatomo Kobayashi, Tomohiko Kato, Satoshi Tabata, Kazuo Shinozaki and Tatsuo Kakimoto,7.5 脱落酸（abscisic acid ）,7.5.1 脱落酸的发现和性质 （一）脱落酸的发现 1961 W.C.liu 干棉壳 脱落素 1963 K.Ohkuma and F.T.Addicott 鲜棉铃 脱落素 1961 C.F.Eagles and P.F.Wareing 秋天的桦树叶 休眠素(dormin) 1967 第六届国际植物生长物质会议 脱落酸(abscisic acid，ABA),（二）ABA的结构特点 ABA是一种以异戊二烯为基本单位倍半萜羧酸，分子式为C15H20O4，分子量为264.3。 ABA环1位上为不对称碳原子，故有两种旋光异构体 植物体内的天然形式主要为右旋ABA，以(+)-ABA 或(S)-ABA表示。,脱落酸的化学结构,S-ABA和R-ABA都有生物活性，但后者不能促进气孔关闭。 人工合成的脱落酸是S-ABA和R-ABA各半的外消旋混合物。,ABA的立体异构体,(三) ABA的分布与运输,高等植物各器官和组织中都有脱落酸，其中以将要脱落或进入休眠的器官和组织中较多，在逆境条件下含量会迅速增多。 脱落酸既可在木质部运输，也可在韧皮部运输。在根部合成的ABA则通过木质部运到枝条。 脱落酸主要以游离型的形式运输，也有部分以脱落酸糖苷形式运输。,7.5.2 脱落酸的代谢, 脱落酸的合成部位 主要在根冠和萎蔫的叶片中合成，在茎、种子、花和果等器官中也能合成脱落酸。 合成场所主要是叶绿体和质体。 脱落酸是弱酸，而叶绿体的基质呈高pH，所以脱落酸以离子化状态积累在叶绿体中。, ABA的生物合成 类萜途径(terpenoid pathway) 也称直接途径 类胡萝卜素途径(carotenoid pathway) 间接途径,高等植物中生物合成脱落酸的可能途径, 脱落酸的失活 氧化降解 ABA在单加氧酶作用下氧化成红花菜豆酸 (phaseic acid)和二氢红花菜豆酸(dihydrophaseic acid)。 结合失活 ABA可与细胞内的单糖或氨基酸以共价键结合而失去活性。游离态ABA和结合态ABA在植物体中可相互转变。,7.5.3 脱落酸的生理效应,促进休眠（ABA/GA) 促进气孔关闭,Precocious germination in the ABA-deficient vp14 mutant of maize.,抑制生长 促进脱落 增加抗逆性,促进落叶物质的检定法,7.5.4 脱落酸的作用机理, ABA受体,Nature 443, 823-826 (19 October 2006) | doi:10.1038/nature05176; Received 20 May 2006; Accepted 16 August 2006 The Mg-chelatase H subunit is an abscisic acid receptor Yuan-Yue Shen1,2, Xiao-Fang Wang1,2, Fu-Qing Wu1,2, Shu-Yuan Du1, Zheng Cao1, Yi Shang1, Xiu-Ling Wang1, Chang-Cao Peng1, Xiang-Chun Yu1, Sai-Yong Zhu1, Ren-Chun Fan1, Yan-Hong Xu1 & Da-Peng Zhang1,7.6 乙烯（ethylene）,7.6.1 乙烯的发现与结构特点 1901 Neljubow 照明气中的乙烯促进树落叶，引起黄化豌豆苗的三重反应。 1910 Cousins 橘子产生的气体能催熟同船混装的香蕉。 1934 Gane 获得植物组织确实能产生乙烯的化学证据。 1959 S.P.Burg 应用气相色谱技术测出了果实中乙烯的产生。 1965 在柏格的提议下，乙烯被公认为是植物的天然激素。,乙烯(ethylene, ET，ETH)是一种不饱和烃，其化学结构为CH2=CH2。 乙烯在常温下是气体，分子量为28，轻于空气。 乙烯在极低浓度(0.010.1lL-1)时就对植物产生生理效应。 种子植物、蕨类、苔藓、真菌和细菌都可产生乙烯。,7.6.2 乙烯的生物合成及运输, 乙烯生物合成, 生物合成的调节 ACC合酶 ACC合酶催化SAM转变为ACC，这种酶的活性受生育期、环境和激素的影响。 ACC氧化酶 在液泡膜内表面ACC氧化酶在O2存在下，把ACC氧化为乙烯，此酶活性极不稳定，依赖于膜的完整性。 ACC丙二酰基转移酶 ACC丙二酰基转移酶（ACC N-malonyl transferase）的作用就是促使ACC起丙二酰化反应（malonylation），形成MACC。,促进乙烯生物合成的因素： 发育阶段：成熟、衰老 逆境：缺水、淹涝、受伤、病害、冷害等 激素： 超适量IAA、乙烯自我催化 抑制乙烯生物合成的因素： ACC合成酶抑制剂（AVG、AOA） 缺O2、 T35、 Co2+ 解偶联剂(DNP) 自由基清除剂 (没食子酸、三氯苯酚等) Ag+， 反式环辛酸,(三) 乙烯的运输 乙烯在植物体内易于移动，并遵循虎克扩散定律。 乙烯就在合成部位起作用。乙烯的前体ACC可溶于水溶液，推测ACC可能是乙烯在植物体内远距离运输的形式。,7.6.3 乙烯的生理效应,乙烯的“三重反应（triple response）” 抑制茎的伸长生长、促进茎或根的横向增粗、促进茎的横向生长(即使茎失去负向重力性),偏上生长 （epinasty） 指器官的上部生长速度快于下部的现象。乙烯促使茎横向生长是由于它引起偏上生长所造成。,促进成熟 催熟是乙烯最主要和最显著的效应，因此也称乙烯为催熟激素。在应用上常以乙烯利（ethephon)作为乙烯的释放剂。,pH4,促进叶片和花衰老 促进脱落,促进开花和雌花分化 打破种子和芽的休眠 诱导次生物质 诱导插枝不定根的形成，促进根的生长和分化,7.6.4 乙烯的信号转导途径, 受体,最早鉴定的拟南芥乙烯受体是etr1,随后发现etr2,ers1,ers2,ein4 4个受体,Screen for the etr1 mutant of Arabidopsis., 组成型三重反应突变体,Screen for Arabidopsis mutants that constitutively display the triple response. Seedlings were grown for 3 days in the dark in air. A single ctr1 mutant seedling is evident among the taller, wild-type seedlings. (Courtesy of J. Kieber.),乙烯信号传导模式,7.7 其它植物生长物质,7.7.1 油菜素内脂类(brassinosteroids, BR，BRs) 发现和结构 1970 Mitchell等从油菜花粉中发现了一种新的生长物质，它能引起菜豆幼苗节间伸长等异常生长反应，并将其命名为油菜素(brassin)。 1979 Grove等得到了该物质的结晶，测定结构为甾醇内酯化合物，将其命名为油菜素内酯(brassinolide, BR1)。 1998 第十三届国际植物生长物质年会上被正式确认为第六类植物激素。,BRs的结构, BRs的生理效应 促进细胞伸长和分裂 促进光合作用 提高抗逆性 促进木质部分化 花粉管伸长 种子萌发,Two main bioassays have been used: the bean second internode bioassay and the rice lamina (leaf) inclination bioassay,the rice lamina (leaf) inclination bioassay,BR的生物测定-水稻叶片倾斜法,茉莉酸类(jasmonates, JAs) 水杨酸(salicylic acid, SA),水杨酸与乙酰水杨酸,7.7 植物生长物质在农业生产上的应用,7.7.1 植物激素间的相互关系 （一）激素间的增效作用与颉颃作用 （二）激素间的比值对生理效应的影响 （三）激素间的代谢与植物生长发育的关系 （四）多种植物激素影响植物生长发育的顺序性 （五）植物对激素的敏感性及其影响因素,激素间的增效作用与颉颃作用,增效作用 (synergism)一种激素可加强另一种激素的效应。 颉颃作用(antagonism) 指一种物质的作用被另一种物质所阻抑的现象。,赤霉素与脱落酸的颉颃作用表现在许多方面，如生长、休眠等。 生长素推迟器官脱落的效应会被同时施用的脱落酸所抵消；而脱落酸强烈抑制生长和加速衰老的进程又可能会被细胞分裂素所解除。,IAA与GA形成的关系,激素间的代谢与植物生长发育的关系,Schematic view of the roles of auxin and ethylene during leaf abscission. In the shedding induction phase, the level of auxin decreases, and the level of ethylene increases. These changes in the hormonal balance increase the sensitivity of the target cells to ethylene.,多种植物激素影响植物生长发育的顺序性,多种植物激素影响植物生长发育的顺序性,植物对激素的敏感性及其影响因素,植物对激素的敏感性(sensitivity)是指植物对一定浓度的激素的响应程度。 植物对激素的敏感性可能由激素受体(receptor)的数目、受体与激素的亲和性(affinity)、植物反应能力(response capacity)等因素所决定。 ,7.7.2 植物生长调节剂在生产上的应用 植物生长调节剂的类型 1.生长促进剂 可以促进细胞分裂、分化和伸长生长，也可促进植物营养器官的生长和生殖器官的发育 IBA NAA KT 6-BA 2.生长抑制剂 抑制植物茎顶端分生组织生长 TIBA MH 整形素 3.生长延缓剂 抑制植物亚顶端分生组织生长 PP333 S-307 CCC ProCa,